宽频宽方位处理技术在淮北矿区全数字高密度地震勘探中的应用

杨光明，金学良，张宪旭，智 敏，单 蕊

宽频宽方位处理技术在淮北矿区全数字高密度地震勘探中的应用

杨光明1，金学良2，张宪旭1，智 敏1，单 蕊1

(1. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；2.淮北矿业(集团)有限责任公司，安徽 淮北 235000)

与常规三维地震勘探相比，全数字高密度地震勘探采用高横纵比、宽方位观测系统，使用单点数字检波器接收。宽方位地震勘探有利于高陡构造和复杂断块成像，但存在各向异性问题，而单点数字检波器地震信号频带宽、保幅性好、噪声强。为了充分发挥全数字高密度地震资料优势，克服其缺点，必须将宽频、宽方位处理技术运用到煤炭高密度三维地震数据处理中，以提升数据处理效果。以淮北矿区全数字高密度地震资料为基础，针对淮北矿区地质构造复杂特点，以叠前保幅去噪、振幅补偿、OVT处理技术以及全方位角偏移成像技术为重点，开展了煤炭全数字高密度地震资料的宽频、宽方位处理技术研究。结果表明：保幅去噪在几乎不损伤有效信号的前提下实现了对噪声的有效压制，振幅补偿恢复了地震信号高低频能量的损失，宽方位处理不仅消除了各向异性影响，改善了成像效果，还获得了丰富的叠前数据。宽频宽方位处理技术是全数字高密度地震资料处理的必要手段，其处理成果比常规处理成果频带更宽，对复杂构造成像更好，分辨率更高，能够实现煤田复杂地质条件地震资料精细成像。

数字检波器；高密度三维地震；宽频；宽方位；分频去噪

淮北煤田煤层倾角大，断层发育，底板灰岩含水层严重影响煤矿的安全生产，对地震勘探提出了更高的地质任务要求。同时，淮北矿区地表起伏小，潜水面仅为4～5 m，煤层与围岩波阻抗差异大，有利于开展三维地震勘探。近20年来淮北矿区开展了超过500 km2的三维地震勘探，随着地震勘探仪器的快速发展，全数字高密度地震勘探已经广泛应用于油气勘探，在煤炭系统，也已开展了很多的应用，取得了一定的效果[1]。自2014年以来，淮北矿区陆续开展了超过120 km2的全数字高密度地震勘探[2]，获得了丰富的煤炭全数字高密度地震勘探数据与验证资料，为研究煤矿采区全数字高密度地震勘探技术奠定了基础。

全数字高密度地震勘探与常规地震勘探主要区别于采用了数字检波器接收，实现了小面元、高覆盖次数与宽方位采集[3]。相对于模拟检波器，数字检波器采用MEMS加速度传感器技术，具有动态范围大、信号畸变小、没有相位延迟的优势[4-5]。但是由于数字检波器采用单点接收，对高低频信号均有良好响应，因此，其对噪声也更为敏感，导致其单炮记录较常规模拟检波器组合接收单炮记录更“脏”(噪声)，对后续去噪处理提出了更高要求[6]。随着高密度勘探横向覆盖次数的显著增加，接收排列横纵比超过0.5，实现了宽方位采集[7]，有利于改善地下目标的照明度，提高复杂构造的成像效果[8-9]，更容易跨越地表障碍物和地下阴影带[10]。高密度勘探采用小面元有利于提高纵横向分辨率，同时高覆盖次数也改善了地震剖面的信噪比。

在煤炭全数字高密度地震资料处理方面，对于保护低频并未得到重视和充分的研究，往往忽略了数字检波器接收到的丰富信息。而对于宽方位采集的高密度地震资料，依然采用了常规窄方位处理技术，未能发挥宽方位数据的优势，难以体现出全数字高密度地震勘探的优点。因此，研究宽频、宽方位处理技术在煤炭全数字高密度地震资料处理中的应用很有意义。基于此，笔者以淮北矿区全数字高密度地震资料为基础，对煤炭全数字高密度地震资料宽频、宽方位处理技术进行了探讨，总结了叠前保幅去噪、振幅补偿、OVT处理技术以及全方位角偏移成像技术的适用性，以期形成煤炭高密度三维地震数据处理相应的宽频、宽方位处理技术流程。

1 淮北煤田全数字高密度地震勘探采集参数及资料特点

1.1 采集参数

由于地下地质构造复杂，淮北煤田大部分采区开展了常规三维地震勘探，部分重点采区在常规勘探的基础上又开展了全数字高密度地震勘探。淮北矿区常规地震勘探采集观测系统大多采用8线8炮(图1a)、8线10炮的束状观测系统，面元大小为10 m×10 m，是典型的窄方位观测系统。而近5年来开展的全数字高密度地震勘探，观测系统由16线10炮160道接收逐步发展为24线4炮96～160道接收(图1b)，面元大小为5 m×5 m，甚至在某些勘探区采用了40线2炮80道接收200次覆盖的全三维观测系统(图1c)。由图1可知，随着横向采样密度的不断增加，横纵比由0.4增大为0.8～1.0。同时高密度勘探观测系统炮检距近、中、远分布均匀，能够提高速度分析精度，改善偏移成像质量，减小采集脚印影响，小面元不仅能提高纵横向分辨率，也避免了空间假频的发生[11]。

图1 常规及高密度观测系统对比

1.2 地震资料特点

数字检波器单点接收单炮较常规模拟检波器组合接收单炮干扰更强，对低视速度面波压制只能通过室内衰减。图2为某勘探区相近位置采集的常规模拟检波器接收单炮与全数字高密度勘探单炮记录，高密度勘探排列长度远大于常规勘探，可以明显看出数字检波器接收单炮面波远强于模拟检波器单炮，红框所示目的层反射波也显示出了低频复合波的特点，面波与目的层反射波在近道大范围重叠。图3b是对图3a所示全数字高密度地震典型单炮红框范围内的面波进行了频谱分析，面波视速度低，主频低于20 Hz，而煤层有效反射波主频在25~80 Hz，与面波差异较大。除了面波干扰，全数字高密度地震勘探普遍存在异常振幅干扰，这些干扰能量强，频带宽(图4)，严重影响后续的振幅补偿、反褶积、偏移成像等处理。因此，叠前保幅保频去噪是淮北矿区全数字高密度资料宽频处理的重点。

图2 模拟检波器与数字检波器单炮记录

图3 面波频谱分析

图4 淮北矿区全数字高密度地震纯波叠加剖面

2 宽频处理关键技术

地震数据低频信号在数据处理和解释中有重要意义，低频信号能够提高分辨率与成像精度、改善反演质量。同时低频成分穿透力强，比高频稳定、传播距离远，在岩性识别，薄煤层成像和全波形反演中起到至关重要的作用，能够有效提升煤层下部奥灰等地层成像效果。宽频处理工作的重点是拓宽频带，尤其是保护低频，宽频处理更应该重视提高倍频程，通常要求倍频程能够达到3～5，而增强低频成分是确保频带宽度和提高倍频程数的最有效做法[12]。淮北矿区全数字高密度勘探使用数字检波器保证了低频信号的高质量接收，因此，必须通过宽频处理尽可能挖掘地震资料的解释潜力，提供更丰富可靠的地震解释成果，保证煤矿的安全生产。宽频处理的重点是采用对低频及高频有效信号损伤小的保幅去噪手段，并综合应用振幅补偿、反Q滤波、反褶积等方法补偿高低频信号损失、拓宽频带。

2.1 叠前保幅综合去噪

由图3及图4分析可知，淮北矿区全数字高密度地震数据处理叠前去噪的重点是压制面波及异常振幅干扰，该区地震资料面波普遍具有低频特征，而异常振幅干扰频带宽，能量强。在常规处理中常使用带通滤波压制面波及高频的异常振幅干扰，必然损伤了地震资料的高低频有效信号，因此，在宽频处理中是不可取的。

由于面波与有效反射信号之间在分布范围、频率及视速度等方面有较大差异，因此，对于淮北矿区全数字高密度地震资料，可以采用自适应面波衰减和十字交叉排列去噪技术压制面波。这2种方法都能很好压制面波，且对有效信号损伤小。由于宽方位观测系统横向采样更充足，因此，更有利于十字排列域压制面波。对于障碍物少的勘探区，推荐使用十字交叉排列法去面波。

和有效反射波相比异常振幅干扰能量通常远大于有效反射能量，大部分异常振幅噪声在空间和时间上具有随机性特征，其能量强，频带宽，且与有效波在空间和时间上重叠，难以区分。基于异常振幅噪声以上特点，在选取去噪方法时，采用“多道识别，分频单道处理”的思想对叠前的异常强能量进行压制，这种分频处理方法具有较好的保真性。

2.2 振幅补偿

能够引起地震波衰减的不确定因素有很多[13]，但主要是球面扩散及地层吸收，此外就是由于激发接收条件的差异造成的炮间、道间的振幅不均衡。淮北矿区全数字高密度地震资料振幅补偿重点是球面扩散补偿、地表一致性振幅补偿及反Q滤波。

球面扩散和地层吸收是引起地震波能量衰减的最主要因素，会导致地震波能量从浅到深，从近到远不断减弱。球面扩散补偿以速度和时间为参数计算补偿参数，对地震道各采样点的振幅进行加权补偿。

地表一致性振幅补偿在给定的时窗内计算全部地震道的能量，采用统计方法求出各炮集、各接收道集、各炮检距道集上的补偿系数，然后将不同道集补偿系数同时应用于各数据道完成补偿处理。地表一致性振幅补偿在多域进行多道统计，保幅效果好，能较好解决空间上由于激发和接收条件的差异引起的能量差异，有效补偿由于炮检距变化所引起的能量衰减。淮北矿区全数字地震资料存在较强异常振幅及面波干扰，会严重影响振幅统计结果，因此，地表一致性振幅补偿应在去噪及球面扩散补偿后进行。

反Q滤波是补偿大地吸收作用的一种有效方法，可以补偿地震波的振幅衰减和频率损失，还可改善地震记录的相位特性，从而改善同相轴的连续性，增强弱反射波的能量，进而提高地震资料的信噪比和分辨率。反Q滤波方法可分为级数展开作近似高频补偿的反Q滤波、基于波场延拓的反Q滤波和其他类型的反Q滤波等三大类[14]。目前，Q补偿最大的难点在于求取准确的Q值，虽然很多处理软件中提供了各种Q值估算工具，但是Q补偿依然要进行大量的测试，才有可能取得良好的补偿效果。

2.3 拓频处理

在振幅补偿后，需要在叠前应用反褶积技术压缩子波，在叠后使用谱白化、蓝色滤波等技术进一步拓宽频带，拓频往往会造成高频噪声能量增强，可以采用俞氏滤波进行拓频后的改善处理[15]。

反褶积通常应用于叠前资料，也可广泛用于叠后资料。反褶积不仅能够压缩子波，它也能从记录上消除大部分的短周期多次波，通过反褶积处理，能够提高纵向分辨率。目前应用比较广泛的有脉冲反褶积、地表一致性反褶积和预测反褶积。地表一致性反褶积能够消除由于近地表条件的变化对地震子波波形的影响。脉冲反褶积应用于野外资料通常难以取得预期效果[16]，在大部分情况下尖脉冲反褶积提起来的主要是高频的噪声能量，因此，在常规处理中，预测反褶积应用更为广泛。

淮北矿区全数字高密度地震勘探的目标不仅包含高主频的新生界各地层、中高主频的煤层反射波，也要对低频为主的煤层下伏太灰、奥灰顶成像，因此在淮北矿区全数字高密度地震资料处理中，往往会采用不同预测步长的时变预测反褶积进行叠前反褶积处理。图5是淮北矿区全数字高密度地震资料在应用了地表一致性预测反褶积前后单炮(图5a)、自相关(图5b)以及频谱对比图(图5c)，地表一致性反褶积消除了子波的横向差异，预测反褶积压制了交混回响并提高了分辨率，反褶积后频谱(蓝色线)明显拓宽，反射波波组特征明显改善。

图5 地表一致性预测反褶积效果对比

3 宽方位处理技术

如前所述，宽方位采集相对窄方位有很多优势，但是如果采用常规窄方位的地震资料处理技术，势必浪费了宽方位采集带来的很多有效信息。宽方位地震资料的速度、旅行时差会随着观测方位角的变化而有一定差异，存在各向异性问题[17]。2002年A. Cordsen认为由于地下介质的非均质性和方位各向异性等原因，导致地震波在地下传播时在不同的方向上速度不同，仅采用过去的单一速度难以解决不同方位的偏移成像问题，因而要考虑基于方位的速度分析[18]。国内石油地震勘探最早使用分方位处理技术进行宽方位资料的处理，取得了较好的效果[10,19]。分方位处理首先按照一定的角度范围将地震数据划分为分方位道集，扇区划分要保证各个方位上的覆盖次数均匀分布，速度分析工作也需要在分方位道集上分别进行，以获得各个方位的最佳速度。偏移后的分方位道集可继续做资料解释，如通过方位切片和地震属性分析等来判断地层变化或者裂缝的发育情况[20]。分方位技术减小了速度的方位各向异性对处理效果的影响，但各自偏移后的分方位数据体无法重构为一个统一的成果，只能在各个分方位数据体上进行综合性解释，其本质还是窄方位处理。近年来，已经发展出了OVT、全方位角偏移成像等宽方位处理技术，这些技术能更好的对宽方位地震数据进行处理。

3.1 OVT处理技术

段文胜等[21]在2013年首次将炮检距向量片(Offset Vector Tiles，简称OVT)技术应用到国内塔里木油田，提高了碳酸盐岩缝洞体成像和裂缝预测精度。OVT道集是对十字排列道集按照炮线距和检波线距等距离划分得到的子道集，十字排列道集是以相同炮线和检波线抽取的道集，因此，其个数与炮线和检波线交点的数目一致；对每个十字排列道集矩形按照炮线距和检波线距等距离划分，得到的小矩形就是一个OVT，其大小由炮线距和检波线距决定，每个十字排列中OVT的个数等于覆盖次数。将每个十字排列道集中相同位置的OVT抽取出来，就形成了一个覆盖全区的单次覆盖OVT道集，这些单次覆盖的OVT道集具有相近的炮检距和方位角。

在获得OVT道集之后，可以在OVT域实现插值、叠前偏移等处理，相对于常规共炮点域、共炮检距域有很多优势。常规窄方位地震资料由于各向异性影响小，在共炮检距域进行插值问题不大，但是宽方位采集数据可能会存在严重各向异性问题，在处理中必须考虑各向异性问题，而OVT道集具有相近方位角，消除了各向异性影响，因此，OVT域的插值更适应宽方位的地震资料规则化处理。应用OVT道集进行叠前时间/深度偏移，获得的CRP道集保留了炮检距和方位角信息，可用于各向异性分析、叠前反演和裂缝预测。OVT域偏移后的道集可抽选成“蜗牛”道集进行各项异性分析和校正，能够有效消除全数字高密度地震资料宽方位采集带来的各向异性问题，改善成像效果[22]。

3.2 基于地下局部角度域的全方位角偏移技术

全方位角成像技术是基于地下局部角度域的成像方法，是针对宽方位资料处理的一种新思路，OVT道集的方位角是建立在地表观测系统之上的，而全方位角度域输出的方位角、倾角和反射角均为地下反射点的角度，精度更高。全方位角成像技术是将地面采集的地震数据映射到地下局部角度域系统中进行偏移成像，每个地下成像点处的射线都包含开角、开方位角、倾角和方位角坐标分量，这4个量形成了一个4D局部角度域系统，可以对成像点处的射线进行准确的描述[23]。通过全方位角偏移成像处理，可以产生倾角道集和反射角道集。倾角道集通过加权叠加能够改善断面等非连续目标的成像效果，而反射角道集可以用于层析速度反演，有利于深度域速度建模和叠前反演。

4 应用实例分析

青东矿位于淮北矿区北部，区内地下构造复杂，构造主体表现为一走向NW，局部略有转折，向北倾斜的单斜。该区全数字高密度地震勘探观测系统采用16线8炮160道接收64次覆盖线束状观测系统，面元大小5 m×5 m，线距80 m。

4.1 处理流程

该矿区地表起伏较小，低降速带横向有变化，存在一定的静校正问题。全数字高密度地震资料目的层段信噪比较低，面波和异常振幅是主要干扰波。由于激发因素、接收条件影响，炮/道间能量有一定差异，受煤层等上覆地层屏蔽影响，煤层下部奥灰顶、太灰等目的层反射波能量弱。根据地震资料特点，结合地质任务，确定宽频、宽方位处理流程如图6所示，宽频处理的重点是叠前保幅去噪和拓频处理，而宽方位处理采用了全方位角偏移成像技术。

图6 处理流程

4.2 宽频处理

宽频处理重点是叠前保频噪声压制、振幅补偿及反褶积处理。图7是叠前应用自适应面波压制及分频去噪技术前后纯波叠加剖面对比，面波及高频强能量异常噪声得到显著压制，去噪过程未使用带通滤波，有效保护了低频信号。振幅补偿采用球面扩散补偿、地表一致性振幅补偿等技术，消除了纵横向能量差异。

图7 叠前保幅去噪前后剖面对比

叠前反褶积处理重点对比了脉冲反褶积、单道预测反褶积、多道预测反褶积，处理效果如图8所示。由图8可知：反褶积前剖面存在明显短周期多次，剖面波组特征差，频率低；而脉冲反褶积剖面虽然主频提高，但部分目的层同相轴连续性变差；多道预测反褶积在400 ms处目的层反射波依然存在明显复合波特征，其分辨率较低，不利于后续解释；而单道预测反褶积分辨率更高、同相轴连续性以及波组特征更好。

图8 反褶积方法对比

为了兼顾浅部及深部目的层成像，对预测步长(8、12、16、20、24、28 ms)进行了测试(图9)，浅部使用12 ms预测步长时600 ms反射波分辨率最高、连续性好，而深部使用20 ms步长时700 ms反射波成像效果好。

4.3 全方位角偏移

全方位角叠前深度偏移核心是速度模型的精确求取。如图10a所示，首先在叠前时间偏移数据体上进行构造解释，拾取9个主要反射层位建立地质模型，在层析反演时作为射线追踪点。图10b是构建的地质模型，该模型纵向层位密度合理，横向变化与区域构造特征吻合，纵横向测线解释方案闭合，层位解释满足后续处理要求。

其次，以构造模型为约束条件，通过网格层析成像技术进行速度模型迭代，直到CRP道集拉平，剩余延迟为零。最后，结合钻井数据，应用基于模型的层析成像技术，获得较准确的各向异性深度域速度体。

图9 预测步长测试

最终，选择合理偏移参数应用全方位角叠前深度偏移，获得了全方位角深度域偏移数据体。通过与原处理剖面对比(图11)可见，资料频带由原来的40～78 Hz拓宽到25～85 Hz(图11c)，尤其是20～40 Hz低频成分得到保留和加强，采用针对宽方位资料的全方位角叠前深度偏移处理技术，改善了复杂断块资料的成像效果，断层反映更为清晰，更有利于构造解释，宽频宽方位处理成果400 ms振幅切片(图12)分辨率更高。

5 结论

a. 宽频宽方位处理技术是淮北矿区全数字高密度地震资料处理的关键技术，通过宽频、宽方位处理，能够提高地震数据的纵横向分辨率和复杂构造解释可靠程度，改善煤层下伏太灰、奥灰顶成像效果，更有利于开展后续反演、属性分析。

b. 宽频处理的重点在于叠前叠后的保幅保频处理，尤其是在叠前去噪、振幅补偿以及反褶积处理环节。叠前去噪必须采用不损伤有效信号的去噪手段，对于低频面波宜采用自适应面波压制或十字排列去噪方法进行去除，对于高频异常振幅干扰，可采用多道分频分时去噪技术压制。叠前地表一致性预测反褶积是宽频处理重要的拓频手段，应根据资料特点确定适当反褶积参数。为了保证不同深度目的层的分辨率和信噪比，可以采用时变步长预测反褶积。叠后还可灵活使用谱白化、蓝色滤波、Q补偿等技术，进一步拓宽频带。

c.宽方位采集数据包含丰富的地质信息，但是也带来了方位各向异性问题，OVT和全方位角处理技术，可以较好地解决方位各向异性问题，能够提高复杂构造成像效果和纵横向分辨率，是煤炭全数字高密度地震资料宽方位处理的关键技术。

图11 常规与宽频宽方位处理剖面

图12 常规与宽频宽方位处理水平振幅切片(400 ms)

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Application of broadband and wide azimuth processing technology in full digital high density seismic exploration in Huaibei mining area

YANG Guangming1, JIN Xueliang2, ZHANG Xianxu1, ZHI Min1, SHAN Rui1

(1. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp.,Xi’an 710077, China; 2. Huaibei Mining(Group)Co.,Ltd.,Huaibei 235000, China)

Compared with conventional 3D seismic exploration, full-digital high density seismic exploration adopts high horizontal and vertical ratio, wide azimuth observation system and single-point digital detectors .Wide azimuth seismic exploration is beneficial to high and steep structure and complex fault block imaging, but there are anisotropy problems, while single-point digital geophone seismic signal has wide frequency band, good amplitude preservation and strong noise. In order to give full play to the advantages of the full digital high-density seismic data and overcome its disadvantages, broadband and wide azimuth processing technology must be applied to high density 3D seismic data processing in coal mining districts to improve the data processing effect. Based on the full digital high density seismic data of Huaibei mining area, this paper studies the broadband and wide-azimuth processing technology of the full digital high-density seismic data of coal mining districts, focusing on pre-stack amplitude preservation denoising, amplitude compensation, OVT processing technology and omni-directional angular migration imaging technology according to the complex geological structure characteristics of Huaibei mining area. The actual digital high density seismic data processing in Huaibei mining area shows that the image denoising in almost no damage under the premise of effective signals to realize the effective suppression of noise, restore the seismic amplitude compensation signal of high frequency energy loss, wide azimuth processing not only eliminates the anisotropy effect to improve the imaging effect, but also obtains rich prestack data. Broadband azimuth processing technology is a necessary means for processing full digital high density seismic data. Its processing results are wider in frequency band than conventional processing results, better in imaging complex structures, higher in resolution, and able to achieve fine imaging of seismic data of complex geological conditions in coal mining districts.

digital detector; high density 3D seismic exploration; broadband; wide azimuth; frequency division denoising

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P631

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.008

1001-1986(2020)06-0055-09

2020-10-25；

2020-11-08

淮北矿业科研计划项目(2019-45，2019-46)；国家重点研发计划课题(2018YFC0807804)

Research Project of Huaibei Mining(Group) Co.，Ltd. (2019-45，2019-46)；National Key R&D Program of China (2018YFC0807804)

杨光明，1979年生，甘肃天水人，高级工程师，从事地震数据处理工作. E-mail：yangguangming@cctegxian.com

杨光明，金学良，张宪旭，等. 宽频宽方位处理技术在淮北矿区全数字高密度地震勘探中的应用[J]. 煤田地质与勘探，2020，48(6)：55–63.

YANG Guangming，JIN Xueliang，ZHANG Xianxu，et al. Application of broadband and wide azimuth processing technology in full digital high density seismic exploration in Huaibei mining area[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(6)：55–63.

(责任编辑 聂爱兰)